Der Zustand eines Bauwerks kann beanspruchungsbedingt mit fortschreitendem Lebensalter von einer zunehmenden Materialermüdung geprägt sein. Obwohl Brücken und andere Infrastrukturobjekte in der Regel für eine lange Nutzungsdauer ausgelegt sind, können nach etwa 40 Jahren Verschleiß und Degradation sichtbar werden. Zur Gewährleistung der Gebrauchstauglichkeit, Stand- und Verkehrssicherheit sind Erhaltungs-, Sanierungs- und Verstärkungsmaßnahmen umso erfolgreicher, je eher sie geplant und dann zum richtigen Zeitpunkt ergriffen werden können. Um die wirtschaftliche Nutzbarkeit komplexer Bauwerke unter Wahrung eines hinreichenden Sicherheitsniveaus mit datenbasierten Methoden zu verlängern, sind jedoch deutlich mehr Messungen zu einem viel früheren Zeitpunkt erforderlich als heute üblich.
Umfassend Grunddaten sammeln
Seit Anfang Mai 2023 werden dazu im Zuge des SPP 100+ an der Nibelungenbrücke Worms zwei einander ergänzende »Structural Health Monitoring Systeme« betrieben. Diese sammeln an relevanten Messpunkten Grunddaten über aktuelle Beanspruchungszustände, darunter Beschleunigungs-, Dehnungs-, Neigungs- und Verschiebungsmessungen (zum Beispiel an Fahrbahnübergängen) wie auch klimatische Bedingungen (Temperatur und Feuchte).
Darüber hinaus werden vom Bauwerksbetreiber verfügbare Bestandsunterlagen wie Pläne, Nachrechnungen und Prüfberichte bereitgestellt, sowie zusätzliche Daten aus zerstörungsfreien Untersuchungen wie Betondeckungsmessungen, Radaruntersuchungen zur Überprüfung der Spanngliedlage, Betonfestigkeitsuntersuchungen und Messungen der Karbonatisierungstiefe und Chlorideindringtiefe durch die SPP-Projekte durchgeführt.
Dadurch wird ein realistisches Bild der Strukturbeanspruchungen und Umwelteinwirkungen gezeichnet, ergänzt durch die Erfassung von zusätzlichen lastbedingten Schwingungen, die zum Beispiel durch einen einzelnen Schwerlastkraftwagen in der Nacht, einen Sturm am Wochenende oder in Spitzenverkehrszeiten verursacht werden. Anhand des regelmäßigen, langfristigen Inputs lernt das BAM-Team, unterschiedlichste Belastungsszenarien und die dadurch auf Brückenbauteile wirkenden Kräfte besser kennen und einzuschätzen.
Smarte Referenzdaten für präventives Monitoring
In der ersten Phase des SPP kann jedes der 20 Projekte das Validierungsbauwerk um weitere, individuelle Sensoranwendungen ergänzen bzw. Messungen durchführen. Die BAM nutzte diese Möglichkeit, um im Juli 2023 smarte, speziell für die Gegebenheiten der Testbrücke konfigurierte Beschleunigungssensoren des Typs ASC AiSys Eco-3321-008-CAN zu installieren. Mit der Erweiterung des Gesamtsystems um ein Schwingungsmonitoring werden zusätzliche Referenzdaten für das vorausblickende Monitoring des Zustands dieser und ähnlicher Brücken erfasst, digital übermittelt und ausgewertet.
Dabei bieten die MEMS-basierten Beschleunigungssensor-Systeme von ASC mit ihrer präzisen, dynamischen Echtzeit-Abweichungsmessung eine gute Ergänzung zu traditionellen, referenzbasierten Überwachungsmethoden. Ein Vorteil smarter Sensortechnologie wie dieser ist ihre CAN-Bus-Fähigkeit. Sie erlaubt neue Messkonzepte; und leistungsstarke Sensorsysteme sind so einfacher umsetzbar.
Nicht nur Abtastraten und Messbereiche lassen sich flexibel konfigurieren, darüber hinaus sind Filtereinstellungen und Frequenzanalysen bereits implementiert. Ein bestehendes Setup lässt sich vom Büro aus am Computer effizient anpassen, ohne dazu jedes Mal auf die Brücke fahren und neue Kabel zu den Datenerfassungssystemen ziehen zu müssen.
Digitaler Zwilling für sicheren Brückenbetrieb
Über smarte Sensorsysteme am Bauwerk werden die Messdaten erfasst, digital mit einer Datenplattform verlinkt und mit den Bauwerksinformationen, historischem Grundlagenwissen sowie externen Faktoren verknüpft. Mathematische Algorithmen errechnen aus diesem komplexen Datenmix Modelle zur Zustandsschätzung der Brücke: ihren digitalen Zwilling. Anhand dieses Modells und unter kontinuierlicher Einspeisung weiterer Messdaten und Belastungsprofile sollen künftige Anforderungen, Veränderungsprozesse in Bauwerksstruktur und Material wie auch Wartungs- und Reparaturbedarf rechtzeitig abgeschätzt werden können. Im Rahmen des Pilotprojekts werden auch darüber Aufschlüsse erwartet, wie sich über den Einsatz von KI-Methoden bestimmte Klassifizierungen gewinnen lassen, die sich rasch auf andere Bauwerke ähnlicher Bauweise, Geometrie, Materialien, Beanspruchung und Altersklasse übertragen lassen. s
